(57)【要約】【課題】燃料電池システムに用いられるガス供給弁の摺動部における摺動性を確保する。【解決手段】  ガス供給弁は、水素ガスが流れるガス流路を有する本体と、ガス流路内に配設されており、ガス流路上に設けられた弁座部でガス流路を開閉する弁体を備えている。弁体には、ガス流路に沿って伸びる軸部が設けられており、本体には、弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられている。このガス供給弁では、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁であり、
水素ガスが流れるガス流路を有する本体と、
前記ガス流路内に配設されており、前記ガス流路上に設けられた弁座部で前記ガス流路を開閉する弁体を備え、
前記弁体には、前記ガス流路に沿って伸びる軸部が設けられており、
前記本体には、前記弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられており、
前記本体の支持部と前記弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給されることを特徴とするガス供給弁。
【請求項２】
前記弁体の軸部は、前記ガス流路を下流側に向かって伸びており、
前記本体の支持部は、前記弁座部よりも下流側に設けられており、
燃料電池から排出された未反応の水素ガスが、弁体及び弁座部よりも下流側に供給されることを特徴とする請求項１に記載のガス供給弁。
【請求項３】
前記本体は、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給される第２のガス流路をさらに有し、
前記第２のガス流路は、前記弁座部よりも下流側であって前記摺動部よりも上流側の位置で、前記ガス流路に合流していることを特徴とする請求項２に記載のガス供給弁。
【請求項４】
前記本体の支持部と前記弁体の軸部の少なくとも一方は、多孔質材料によって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のガス供給弁。
【請求項５】
前記本体の支持部は、多孔質材料によって形成されており、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが、前記支持部の外周面に供給されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガス供給弁。
【請求項６】
前記本体の支持部と前記弁体の軸部の少なくとも一方の表面には、親水性を高める処理が施されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のガス供給弁。
【請求項７】
前記弁体の軸部には、その軸方向の少なくとも２箇所において、前記本体の支持部に向けて突出している複数の突出部が形成されており、
前記複数の突出部は、前記本体の支持部に摺動可能に当接していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のガス供給弁。
【請求項８】
燃料電池と、
前記燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節する請求項１から７のいずれか一項に記載のガス供給弁と、
燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池に還流させる循環通路を備え、
前記本体の支持部と前記弁体の軸部の互いに摺動する摺動部が、前記循環通路内に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記循環通路には、前記ガス供給弁よりも下流側に、気液分離器が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁、及び、そのガス供給弁を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁を備えている。また、この燃料電池システムには、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池に還流させる循環通路が設けられている。この種の燃料電池システムでは、ガス供給弁によって水素ガスの供給量を調節し、燃料電池が出力する電力量を制御する。
【０００３】
特許文献２に、従来のガス供給弁が開示されている。このガス供給弁は、気体燃料が流れるガス流路を有する本体と、ガス流路内に配設され、ガス流路を開閉する弁体を備えている。弁体には、ガス流路を上流側に向かって伸びる軸部が設けられている。本体には、弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられている。
この種のガス供給弁では、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部において、本体の支持部や弁体の軸部の摩耗が進行しやすい。そこで、特許文献２に記載にガス供給弁では、その摺動部に液体燃料を供給し、摺動部の潤滑性を確保している。
【０００４】
【特許文献１】特願２００５−２４３３５７号公報
【特許文献２】特願２００６−１１８４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２のガス供給弁では、ガス供給弁から吐出される気体燃料に、潤滑用に供給した液体燃料が混入する。気体燃料を燃焼する内燃機関であれば、気体燃料に液体燃料が混入したとしても、混入した液体燃料も一緒に燃焼されるため、問題とはならない。しかしながら、燃料電池システムでは、燃料電池に供給する水素ガスに、液体燃料が混入することは許されない。水素ガスに混入した液体燃料は、燃料電池が処理できない有害な不純物となり、燃料電池の動作不良といった問題を引き起こしてしまう。
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池にとって有害な不純物を用いることなく、ガス供給弁の摺動部における摺動性を確保する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁に具現化される。このガス供給弁は、水素ガスが流れるガス流路を有する本体と、ガス流路内に配設されており、ガス流路上に設けられた弁座部でガス流路を開閉する弁体を備えている。弁体には、ガス流路に沿って伸びる軸部が設けられており、本体には、弁体の軸部を摺動可能に支持する支持部が設けられている。このガス供給弁では、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給される。
【０００７】
燃料電池に供給された水素ガスは、燃料電池内において、発電に伴って発生した水や冷却水に晒される。従って、燃料電池から排出される未反応の水素ガス（以下、単に未反応ガスと称することがある）には、比較的に多くの水分が含まれている。本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に、燃料電池から排出された未反応ガスを供給することで、未反応ガス中の水分が潤滑剤として機能する。それにより、摺動部の摩耗を有意に抑制することができる。
このガス供給弁によると、燃料電池にとって有害な不純物を用いることなく、ガス供給弁の摺動部における摺動性を確保することができる。
【０００８】
上記のガス供給弁において、前記した弁体の軸部は、ガス流路を下流側に向かって伸びていることが好ましい。そして、前記した本体の支持部は、弁座部よりも下流側に設けられていることが好ましい。
この構成によると、未反応ガスに含まれる水分が、弁体や弁座部に供給されることがなく、弁体や弁座部の腐食を防止することができる。
【０００９】
上記のガス供給弁において、前記した本体は、燃料電池から排出された未反応の水素ガスが供給される第２のガス流路をさらに有することが好ましい。この場合、その第２のガス流路は、弁座部よりも下流側であって摺動部よりも上流側の位置で、前記ガス流路に合流していることが好ましい。
この構成によると、燃料電池から排出される未反応ガスを、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部に確実に供給することができる。
【００１０】
上記のガス供給弁において、本体の支持部と前記弁体の軸部の少なくとも一方は、焼結金属等の多孔質材料によって形成されていることが好ましい。
この構成によると、摺動部に供給された水分が、多孔質材料の空孔によって保持される。摺動部に供給される未反応ガスが一時的に減少した場合でも、摺動部における摺動性が安定して確保される。
【００１１】
前記した本体の支持部を焼結金属等の多孔質材料によって形成する場合、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを、その支持部の外周面に供給する構成とすることも可能となる。この構成によると、前記した第２のガス流路を、必ずしも設ける必要がない。
【００１２】
前記した本体の支持部と弁体の軸部の少なくとも一方の表面に、例えば酸化チタンを付与するなど、親水性を高める処理が施されていることが好ましい。
それにより、本体の支持部及び／又は弁体の軸部の表面に水分が保持されやすくなり、両者の摺動性をより向上させることができる。
【００１３】
前記した弁体の軸部には、その軸方向の少なくとも２箇所において、本体の支持部に向けて突出している複数の突出部が形成されており、それら複数の突出部は、本体の支持部に摺動可能に当接していることが好ましい。
この構造によると、弁体の軸部が傾くことが防止され、本体の支持部や弁体の軸部が局所的に摩耗することを防止することができる。
【００１４】
本発明は、上記したガス供給弁を用い、新規で有用な燃料電池システムも提供する。本発明が提供する燃料電池システムは、燃料電池と、その燃料電池に供給する水素ガスの供給量を調節するガス供給弁と、燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池に還流させる循環通路を備えている。そして、本体の支持部と弁体の軸部の互いに摺動する摺動部が、循環通路内に配置されていることを特徴とする。
この燃料電池システムでは、燃料電池から排出された水分を含む未反応ガスが、ガス供給弁の摺動部に供給される。それにより、ガス供給弁の摺動部における摺動性が確保され、本体の支持部や弁体の軸部の摩耗が抑制される。
【００１５】
前記した循環通路には、ガス供給弁よりも下流側の位置に、気液分離器が設けられていることが好ましい。
上記した燃料電池システムでは、燃料電池に供給される水素ガスに、比較的に多くの水分が含まれる。水分自体は、燃料電池にとって有害な不純物ではないので、燃料電池の動作不良を引き起こすことはない。しかしながら、水素ガス中の水分濃度が過剰となると、燃料電池に供給される水素ガスの濃度が相対的に低下し、燃料電池の出力が低下することがある。このような場合、ガス供給弁よりも下流側の位置に気液分離器を設けることによって、燃料電池に供給される水素ガスから水分を除去するとよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池にとって有害な不純物を用いることなく、ガス供給弁の摺動部における摺動性を確保することが可能となる。燃料電池システムに用いられるガス供給弁の耐久性を、顕著に向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）  本体は、流入管と、ステータコアと、非磁性ブッシュと、弁ハウジングと、弁シートと、ガイドノズルを備えている。流入管とステータコアと非磁性ブッシュと弁ハウジングと弁シートとガイドノズルのそれぞれは、貫通孔を有している。流入管とステータコアと非磁性ブッシュと弁ハウジングと弁シートは一連に接続されており、流入管とステータコアと非磁性ブッシュと弁ハウジングとガイドノズルの貫通孔によってガス流路が形成されている。水素ガスの供給源から供給される水素ガスは、流入管の開放端から流入し、ガス流路を通って、ガイドノズルの開放端から吐出される。
（特徴２）  可動体は、ガス流路内に収容されており、ステータコアと弁シートの間に位置している。可動体が下流側の弁シートに向けて移動すると、可動体に設けられた弁体が弁シートに当接し、ガス流路が閉鎖される。可動体が上流側であるステータコアに向けて移動すると、可動体に設けられた弁体が弁シートから離間し、ガス流路が開放される。
（特徴３）  可動体の弁軸は、弁体からガス流路の下流側に向けて、ガイドノズルの貫通孔内を伸びている。可動体の弁軸は、ガイドノズルの貫通孔によって、摺動可能に支持されている。可動体の弁軸の外周面とガイドノズルの貫通孔の内周面の間には、水素ガスが流通するための隙間が設けられている。
【００１８】
（特徴４）  ガイドノズルには、ガイドノズルの外周面からガイドノズルの貫通孔に到る第２のガス流路が形成されている。第２のガス流路は、弁軸が摺動する摺動部よりも上流側の位置で、ガイドノズルの貫通孔に合流している。第２のガス流路には、燃料電池から排出される未反応の水素ガスが供給される。即ち、ガイドノズルの貫通孔内には、水素ガスの供給源から供給される水素ガスに加え、燃料電池から排出される未反応の水素ガスも流れる。燃料電池から排出される未反応の水素ガスには、水分が比較的に多く含まれており、その水分によってガイドノズルの貫通孔の壁面が潤滑されるようになっている。
（特徴５）  燃料電池システムは、燃料電池から排出される未反応の水素ガスを燃料電池に還流する循環通路を備えている。循環通路は、燃料電池から排出される未反応の水素ガスをガス供給弁に送る上流部と、その未反応の水素ガス及びガス供給弁から吐出される水素ガスを燃料電池に送る下流部を備えている。循環通路の上流部は、ガイドノズルに形成された第２のガス流路に接続されており、燃料電池から排出される未反応の水素ガスをガイドノズルの貫通孔内に供給する。循環通路の下流部は、ガイドノズルの開放端に接続されており、ガイドノズルの開放端から吐出される水素ガスを燃料電池に供給する。
（特徴６）  ガス供給弁は、ガス流路が閉鎖される位置に向けて弁体を付勢している付勢部材と、ガス流路が開放される位置に向けて弁体を動かすアクチュエータを備えている。アクチュエータは、本体に設けられたステータコア及び電磁コイルと、弁体と一体に設けられたアーマチャによって主に構成されている。
【実施例】
【００１９】
（第１実施例）
本発明を具現化した第１実施例のガス供給弁１０、及びそれを用いた燃料電池システム１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施例のガス供給弁１０の縦断面図を示す。図２は、図１中のII-II断面図を示し、図３は、図１中のIII-III断面図を示している。図４は、燃料電池システム１００の構成を模式的に示している。燃料電池システム１００では、水素ガスの供給源（例えば貯留タンク）から燃料電池８２に供給する水素ガス（一次供給ガス）の供給量を、ガス供給弁１０によって調節する。
【００２０】
先ず、ガス供給弁１０について説明する。図１に示すように、ガス供給弁１０は、本体１２と、可動体７０と、圧縮ばね２２と、電磁コイル７２を備えている。本体１２には、水素ガスが流れるガス流路２０が形成されている。ガス流路２０は、後述する流入管１６の開放端（図１中の上端）１６ｅから、ガイドノズル３８の開放端（図１中の下端）３８ｅまで伸びている。水素ガスは、流入管１６の開放端１６ｅに供給され、ガス流路２０を通って、ガイドノズル３８の開放端（図１中の下端）３８ｅから吐出される。可動体７０は、ガス流路２０内に配設されており、ガス流路２０に沿って移動可能に支持されている。
【００２１】
可動体７０には、弁体５０が設けられている。可動体７０がガス流路２０の下流側に移動すると、弁体５０が後述する弁シート３４に当接し、ガス流路２０が閉鎖される。可動体７０がガス流路２０の上流側に移動すると、弁体５０が弁シート３４から離間し、ガス流路２０が開通する。可動体７０は、圧縮ばね２２によって、ガス流路２０の下流側に向けて付勢されている。ガス供給弁１０は、いわゆる電磁制御弁である。詳しくは後述するが、ガス供給弁１０では、電磁コイル７２に通電が行われると、可動体７０がガス流路２０の上流側に向けて移動し、ガス流路２０が開通する。即ち、ガス供給弁１０から水素ガスが吐出される。
【００２２】
次に、ガス供給弁１０の各部の構成について詳細に説明する。ガス供給弁１０の本体１２は、流入管１６と、ステータコア１８と、非磁性ブッシュ２４と、弁ハウジング３０と、弁シート３４と、ガイドノズル３８と、樹脂ケーシング７４を備えている。
流入管１６は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔１６ａが形成されている。流入管１６の貫通孔１６ａは、ガス流路２０の最上流部を構成している。即ち、流入管１６の開放端（図１中の上端）１６ｅは、ガス流路２０の上流端となっている。流入管１６の開放端１６ｅには、水素ガスの供給源（図示省略）から水素ガスが供給される。流入管１６の貫通孔１６ａには、水素ガス中の異物を除去するためのフィルタ体１４が配設されている。流入管１６は、耐腐食性を有する金属材料で形成されており、詳しくはステンレス鋼で形成されている。
【００２３】
ステータコア１８は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔１８ａが形成されている。ステータコア１８の貫通孔１８ａの上流側部分（図１中の上側部分）には、流入管１６の下流側部分（図１中の下側部分）が挿入されている。ステータコア１８と流入管１６は、全周に亘って溶接されている。それにより、ステータコア１８の貫通孔１８ａと流入管１６の貫通孔１６ａは、気密に接続されている。ステータコア１８の貫通孔１８ａは、流入管１６の貫通孔１６ａに連なって、ガス流路２０の一部を構成している。ステータコア１８は、軟磁性材料で形成されており、詳しくは、電磁ステンレス鋼で形成されている。
【００２４】
非磁性ブッシュ２４は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔２４ａが形成されている。非磁性ブッシュ２４の貫通孔２４ａの上流側部分（図１中の上側部分）には、ステータコア１８の下流側部分（図１中の下側部分）が挿入されている。非磁性ブッシュ２４とステータコア１８は、全周に亘って溶接されている。それにより、非磁性ブッシュ２４の貫通孔２４ａとステータコア１８の貫通孔１８ａは、気密に接続されている。非磁性ブッシュ２４の貫通孔２４ａは、ステータコア１８の貫通孔１８ａに連なって、ガス流路２０の一部を構成している。非磁性ブッシュ２４は、非磁性材料で形成されている。非磁性ブッシュ２４の下流端（図１中の下端）には、フランジ部２４ｂが形成されている。
【００２５】
弁ハウジング３０は、略リング形状を有しており、その中心部に貫通孔３０ａが形成されている。弁ハウジング３０の上流側端面（図１中の上面）には、非磁性ブッシュ２４のフランジ部２４ｂが接合されている。弁ハウジング３０と非磁性ブッシュ２４は、全周に亘って溶接されている。それにより、弁ハウジング３０の貫通孔３０ａと非磁性ブッシュ２４の貫通孔２４ａは、気密に接続されている。弁ハウジング３０の貫通孔３０ａは、非磁性ブッシュ２４の貫通孔２４ａに連なって、ガス流路２０の一部を構成している。弁ハウジング３０の貫通孔３０ａ内には、可動体７０に設けられた弁体５０が配設されている。
【００２６】
弁シート３４は、弁ハウジング３０の下流側部分（図１中の下側部分）に設けられている。弁シート３４は、略円板形状を有しており、その中心部に貫通孔３４ａが形成されている。弁シート３４と弁ハウジング３０は、全周に亘って溶接されている。それにより、弁シート３４の貫通孔３４ａと弁ハウジング３０の貫通孔３０ａは、気密に接続されている。弁シート３４の貫通孔３４ａは、弁ハウジング３０の貫通孔３０ａに連なって、ガス流路２０の一部を構成している。
弁シート３４の上流側表面（図１中の上側表面）には、弁体５０が当接するシート面３４ｓが形成されている。シート面３４ｓは平坦面であり、その中心部に貫通孔３４ａが開口している。弁体５０がシート面３４ｓに当接すると、弁ハウジング３０の貫通孔３０ａと弁シート３４の貫通孔３４ａの間が遮断され、ガス流路２０が閉鎖される。弁体５０がシート面３４ｓから離間すると、弁ハウジング３０の貫通孔３０ａと弁シート３４の貫通孔３４ａの間が連通され、ガス流路２０が開通する。
【００２７】
弁シート３４の下流側表面（図１中の下側表面）には、ガイドノズル３８を保持するためのノズルホルダ３６が一体に形成されている。ノズルホルダ３６は、略円筒形状を有しており、その中心部に弁シート３４まで伸びる貫通孔３６ａが形成されている。
ガイドノズル３８は、略円筒形状を有しており、その中心部に貫通孔３８ａが形成されている。ガイドノズル３８は、ノズルホルダ３６の貫通孔３６ａに固定されており、弁シート３４の下流側表面に当接している。ガイドノズル３８の貫通孔３８ａは、弁シート３４の貫通孔３４ａに連通しており、ガス流路２０の最下流部を構成している。即ち、ガス流路２０を流れてきた水素ガスは、ガイドノズル３８の開放端３８ｅから吐出される。また、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａ内には、後述する可動体７０の弁軸４０が伸びている。ガイドノズル３８は、弁体５０から伸びる弁軸４０を摺動可能に支持している。
【００２８】
図１、図３に示すように、ガイドノズル３８の上流側端面（図１中の上側表面）には、複数の未反応ガス導入溝３８ｂが形成されている。それぞれの未反応ガス導入溝３８ｂは、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａからガイドノズル３８の外周面３８ｃまで、径方向に伸びている。複数の未反応ガス導入溝３８ｂは、周方向に関して等間隔に形成されている。なお、本実施例では、４本の未反応ガス導入溝３８ｂが９０度間隔で形成されている。また、ガイドノズル３８の外周面３８ｃを保持しているノズルホルダ３６には、ガイドノズル３８の未反応ガス導入溝３８ｂに対応する位置に、複数の未反応ガス導入孔３６ｂが形成されている。ノズルホルダ３６の未反応ガス導入孔３６ｂは、ガイドノズル３８の未反応ガス導入溝３８ｂを通じて、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａまで連通している。
詳しくは後述するが、ノズルホルダ３６の未反応ガス導入孔３６ｂには、循環通路９０の上流部９２が接続されており、燃料電池８２から排出される未反応の水素ガス（未反応ガス）が送られる。未反応ガスは、ガイドノズル３８の未反応ガス導入溝３８ｂを通じて、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに供給される。このように、ガイドノズル３８の未反応ガス導入溝３８ｂ及びノズルホルダ３６の未反応ガス導入孔３６ｂは、燃料電池８２から排出される未反応ガスを、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに供給する第２のガス流路を構成している。この第２のガス流路３６ｂ、３８ｂは、後述する弁軸４０の摺動突出部４２よりも上流側の位置で、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに合流している。
【００２９】
樹脂ケーシング７４は、ステータコア１８、非磁性ブッシュ２４、弁ハウジング３０を取り囲むように設けられている。樹脂ケーシング７４は、インサート成形によって形成されており、その内部に電磁コイル７２が埋設されている。電磁コイル７２は、ステータコア１８の一部を取り囲む位置に固定されている。樹脂ケーシング７４には、コネクタ部７６が形成されている。コネクタ部７６には、複数の端子ピン７８が設けられている。複数の端子ピン７８には、電磁コイル７２が電気的に接続されており、複数の端子ピン７８を通じて電磁コイル７２に通電されるように構成されている。コネクタ部７６は、図示しないワイヤハーネスを介して外部の制御ユニットに接続される。
【００３０】
本体１２のガス流路２０内には、圧縮ばね２２が配設されている。圧縮ばね２２は、流入管１６と弁体５０の間に位置している。圧縮ばね２２は、圧縮された状態となっており、弁体５０を弁シート３４に向けて付勢している。即ち、圧縮ばね２２は、その付勢力によって弁体５０を弁シート３４のシート面３４ｓに押し付け、ガス流路２０を閉鎖している。
【００３１】
次に、可動体７０の各部の構成について詳細に説明する。図１に示すように、可動体７０は、本体１２のガス流路２０内であって、ステータコア１８の下流側に位置している。可動体７０は、弁軸４０と弁体５０とアーマチャ６０を備えている。弁軸４０と弁体５０とアーマチャ６０は、同軸上に位置している。弁軸４０と弁体５０とアーマチャ６０は、軟磁性材料（詳しくは電磁ステンレス鋼）によって一体に形成されている。なお、弁軸４０と弁体５０については、必ずしも軟磁性材料で形成する必要はなく、例えば強度や耐腐食性に優れる材料を用いて形成してもよい。
【００３２】
アーマチャ６０は、可動体７０の上流側部分を構成しており、ステータコア１８の下流端に対向している。アーマチャ６０は、略円筒形状を有しており、その中心部に弁体５０まで伸びる貫通孔６０ａが形成されている。アーマチャ６０の貫通孔６０ａは、ステータコア１８の貫通孔１８ａと連通しており、ガス流路２０の一部となっている。アーマチャ６０の上流側部分は、電磁コイル７２によって囲繞されている。アーマチャ６０は、電磁コイル７２によって、ステータコア１８とともに磁化される。アーマチャ６０及びステータコア１８が磁化されると、アーマチャ６０がステータコア１８に引き付けられる。その結果、可動体７０が、圧縮ばね２２の付勢力に抗して、ステータコア１８側へ移動する。
【００３３】
弁体５０は、可動体７０の中間部分を構成しており、弁シート３４のシート面３４ｓに対向している。弁体５０には、周方向に並ぶ複数の溝５２が形成されている。弁体５０の溝５２は、アーマチャ６０の貫通孔６０ａと弁ハウジング３０の貫通孔３０ａを互いに連通しており、ガス流路２０の一部となっている。弁体５０には、シート面３４ｓに対向する位置に、可撓性を有するシール部材５４が設けられている。シール部材５４は、ゴム材料又は樹脂材料によって形成することができる。可動体７０が弁シート３４側へ移動すると、弁体５０が弁シート３４のシート面３４ｓに当接する。このとき、ガス流路２０は閉鎖される。可動体７０がステータコア１８側へ移動すると、弁体５０が弁シート３４のシート面３４ｓから離間する。このとき、ガス流路２０は開通される。
【００３４】
弁軸４０は、弁体５０からガス流路２０の下流側に向かって伸びている。弁軸４０は、弁シート３４の貫通孔３４ａを通過し、ガイドノズル３８の開放端３８ｅ近傍まで伸びている。弁軸４０の直径は、弁シート３４の貫通孔３４ａやガイドノズル３８の貫通孔３８ａの直径よりも小さく、弁シート３４の貫通孔３４ａやガイドノズル３８の貫通孔３８ａ内には、水素ガスが流れる空間が確保されている。
図１、図２に示すように、弁軸４０には、その軸方向の２箇所に、複数の摺動突出部４２が形成されている。複数の摺動突出部４２は、弁軸４０からガイドノズル３８に向けて放射状に伸びている。摺動突出部４２の頂部４２ａは、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａの壁面に摺動可能に当接している。それにより、弁軸４０は、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに沿って移動可能に支持されている。即ち、可動体７０が、ガス流路２０に沿って移動可能に支持されている。隣り合う２つの摺動突出部４２の間には、水素ガスが通過するための空間４３が確保されている。
全ての摺動突出部４２は、第２のガス流路を構成するガイドノズル３８の未反応ガス導入溝３８ｂよりも、下流側に設けられている。即ち、摺動突出部４２とガイドノズル３８が摺動する摺動部の全ては、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａ内に未反応ガスが供給される位置よりも、下流側に位置している。
【００３５】
以上、ガス供給弁１０の構成について詳細に説明した。次に、ガス供給弁１０の動作について説明する。電磁コイル７２に通電されていない間、弁体５０は、圧縮ばね２２によって弁シート３４に当接する位置に維持される。弁体５０は弁シート３４のシート面３４ｓに押し付けられ、ガス流路２０は閉鎖された状態となる。このとき、水素ガスの供給源から供給された水素ガス（一次供給ガス）は、ガス供給弁１０から吐出されない。
【００３６】
電磁コイル７２に通電が行われると、電磁コイル７２が磁場を発生し、ステータコア１８及びアーマチャ６０が励磁される。ステータコア１８とアーマチャ６０は互いに引き合い、アーマチャ６０は弁体５０とともにステータコア１８側へ移動する。弁体５０は弁シート３４のシート面３４ｓから離間し、ガス流路２０が開通する。それにより、一次供給ガスが、ガス供給弁１０から吐出される。
【００３７】
上記したガス供給弁１０の開閉動作に伴い、弁軸４０の摺動突出部４２は、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａの壁面に対して摺動する。従って、ガス供給弁１０の開閉動作が繰り返されることにより、弁軸４０の摺動突出部４２やガイドノズル３８の貫通孔３８ａの壁面は摩耗する。ただし、本実施例のガス供給弁１０では、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａ内に、燃料電池８２から排出される未反応ガスが供給される。燃料電池８２から排出される未反応ガスには、燃料電池８２で発生した水や燃料電池８２内を流れる冷却水によって、比較的に多くの水分が含まれている。従って、摺動突出部４２とガイドノズル３８との摺動部に、燃料電池８２から排出される未反応ガスを供給することで、未反応ガス中の水分が潤滑剤として機能する。それにより、それらの摺動部の摩耗を有意に抑制することができる。また、未反応ガスは、弁体５０や弁体５０が当接するシート面３４ｓよりも、下流側に供給される。従って、未反応ガスに含まれる水分によって、弁体５０やシート面３４ｓが腐食されるようなことがない。
【００３８】
上記したガス供給弁１０において、弁軸４０やガイドノズル３８は、焼結材料や発泡材料のように、多孔質材料で形成することもできる。弁軸４０やガイドノズル３８を多孔質材料で形成すると、弁軸４０とガイドノズル３８の摺動部に供給された水分が、多孔質材料の空孔によって保持される。摺動部に供給される未反応ガスが一時的に減少しても、摺動部における摺動性が安定して確保される。なお、上記のように多孔質材料を採用する場合、弁軸４０やガイドノズル３８の全体を多孔質材料で形成する必要はない。少なくとも弁軸４０とガイドノズル３８の摺動部を多孔質材料で形成すればよい。即ち、弁軸４０の摺動突出部４２の頂部４２ａと、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａの壁面の少なくとも一方を、多孔質材料で形成すれば足りる。
【００３９】
上記したガス供給弁１０において、弁軸４０とガイドノズル３８の互いに摺動する表面に、親水性を高める表面処理を行うことも有効である。親水性を高める表面処理として、例えば酸化チタンを蒸着する処理が好適である。この場合、弁軸４０やガイドノズル３８の表面全体に酸化チタンを蒸着してもよいし、互いに摺動する範囲のみに酸化チタンを蒸着してもよい。親水性を高める表面処理は、弁軸４０とガイドノズル３８の両者に行うことが好ましいが、弁軸４０とガイドノズル３８の一方のみに行っても、両者の摺動性を向上することができる。
【００４０】
以上、ガス供給弁１０の構成、機能について詳細に説明した。次に、ガス供給弁１０を用いた燃料電池システム１００について説明する。図４に示すように、燃料電池システム１００は、主に、燃料電池８２と、ガス供給弁１０を用いて構成されている。
ガス供給弁１０には、一次供給通路９６を通じて、水素ガスの供給源（図示省略）が接続されている。一次供給通路９６は、ガス供給弁１０の流入管１６の開放端１６ｅに接続されており、水素ガスの供給源から供給される一次供給ガスは、流入管１６の開放端１６ｅからガス供給弁１０に導入される。ガス供給弁１０は、燃料電池８２に供給する一次供給ガスの供給量を調節し、燃料電池８２が出力する電力量を調節する。
【００４１】
燃料電池システム１００には、燃料電池８２から排出される未反応ガスを燃料電池８２に還流する循環通路９０が設けられている。循環通路９０は、燃料電池８２から排出される未反応ガスをガス供給弁１０に送る上流部９２と、その未反応ガス及びガス供給弁１０から吐出される一次供給ガスを燃料電池８２に送る下流部９４を備えている。循環流路９０の上流部９２には、未反応ガスを圧送するポンプ８４が設けられている。
循環通路９０の上流部９２は、ガス供給弁１０において、ノズルホルダ３６の未反応ガス導入孔３８ｂに接続されている。それにより、燃料電池８２から排出される未反応ガスが、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａへ導入されるようになっている（図１参照）。即ち、未反応ガスに含まれる水分が、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに供給される。
循環通路９０の下流部９４は、ガス供給弁１０において、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａの開放端３８ｅに接続されている。それにより、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａから吐出される一次供給ガス及び未反応ガスが、燃料電池８２に送られる。
【００４２】
この燃料電池システム１００では、燃料電池８２から排出される未反応ガスが、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに供給される。即ち、摺動突出部４２とガイドノズル３８との摺動部に、燃料電池８２から排出される未反応ガスが供給される。その結果、未反応ガス中の水分が潤滑剤として機能し、摺動部の摩耗を有意に抑制することができる。
【００４３】
図５に示すように、燃料電池システム１００では、循環通路９０の下流部９４に、水素ガスから水分を除去する気液分離器８６と、気液分離器８６によって除去された水を排水するドレン排出弁８７を設けてもよい。それにより、燃料電池８２に供給する水素ガスから、過剰な水分を除去することができる。なお、水分自体は、燃料電池８２にとって有害な不純物ではないので、燃料電池８２の動作不良を引き起こすことはない。しかしながら、水素ガス中の水分濃度が過剰となると、燃料電池８２に供給される水素ガスの濃度が相対的に低下し、燃料電池８２の出力が低下することがある。従って、ガス供給弁１０よりも下流側の位置に気液分離器８６を設けることによって、燃料電池８２の出力を安定化することができる。
【００４４】
また、図６に示すように、燃料電池システム１００では、ポンプ８４に代えて、エゼクタ８８を用いることもできる。この場合、一次供給通路９６に分岐路９８を設け、水素ガスの供給源から供給される一次供給ガスをエゼクタ８８に供給するとよい。それにより、エゼクタ８８は、一次供給ガスの噴流を用いて、燃料電池８２から排出される未反応ガスをガス供給弁１０に送ることができる。なお、エゼクタ８８で噴出させる一次供給ガスは、燃料電池８２から排出される未反応ガスに比して、十分に少なくすることができる。従って、エゼクタ８８で噴出させる一次供給ガスが、燃料電離８２に供給する水素ガスの供給量に大きな影響を与えことはない。
【００４５】
（第２実施例）
次に、第２実施例のガス供給弁１１０について説明する。図７は、第２実施例のガス供給弁１１０の縦断面図である。図８は、ガス供給弁１１０のガイドノズル３８の近傍を拡大して示している。第２実施例のガス供給弁１１０では、第１実施例のガス供給弁１０と比較して、ガイドノズル３８の構成が変更されている。また、ガイドノズル３８の構成の変更に伴って、ガイドノズル３８を保持するノズルホルダ３６の形状が変更されている。その他の構成については、第１実施例のガス供給弁１０と同じであり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
本実施例のガイドノズル３８は、その全体が、多孔質材料である焼結金属によって形成されている。それにより、ガイドノズル３８の内部には、多数の微細な空洞が形成されている。ガイドノズル３８内の空洞は互いに繋がっており、ガイドノズル３８内には微細な通路が多数形成されている。本実施例のガイドノズル３８は、第１実施例のガイドノズル３８と比較して、その肉厚が薄く形成されている。即ち、本実施例のガイドノズル３８は、第１実施例のガイドノズル３８と比較して、その外径が小さくなっている。それに伴い、ガイドノズル３８を保持するノズルホルダ３６の内径も小さくなっている。ここで、ガイドノズル３８は、焼結金属に限られず、非金属の焼結材料や、金属又は非金属の発泡材料など、他の多孔質材料によって形成してもよい。
本実施例のノズルホルダ３６は、第１実施例のノズルホルダ３６と比較して、軸方向の長さが短縮されている。それにより、ガイドノズル３８の外周面３８ｃは、比較的に広く露出している。特に本実施例では、ガイドノズル３８の長さが、弁軸４０の上流側に設けられた摺動突出部４２よりも上流側に留められている。
【００４７】
一方、本実施例のガイドノズル３８及びノズルホルダ３６には、第１実施例のガイドノズル３８及びノズルホルダ３６と異なり、未反応ガスを導入するための未反応ガス導入溝３８ｂや未反応ガス導入孔３６ｂが形成されていない。先に説明したように、本実施例のガイドノズル３８内には、微細な通路が多数形成されている。この微細な通路は、未反応ガスを導入するための通路として機能する。従って、未反応ガスを導入するための溝や孔を必ずしも設ける必要がない。
【００４８】
本実施例のガス供給弁１１０は、第１実施例のガス供給弁１０と同様に、燃料電池システム１００に採用することができる。ただし、本実施例のガス供給弁１１０では、図７に示すように、燃料電池システム１００に循環通路９０内に、ガイドノズル３８を配置すればよい。循環通路９０の上流部９２及び下流部９４を、ガイドノズル３８の異なる位置にそれぞれ接続する必要はない。
なお、図７に示すガス供給弁１１０の配置方法は、第１実施例のガス供給弁１０にも適用することができる。即ち、第１実施例のガス供給弁１０を燃料電池システム１００に採用する場合でも、循環通路９０上にガス供給弁１０を取り付け、循環通路９０にガイドノズル３８を配置すればよい。この場合でも、ノズルホルダ３６の未反応ガス導入孔３６ｂとガイドノズル３８の未反応ガス導入溝３８ｂを通じて、ノズルホルダ３６の貫通孔３６ａに未反応ガスが導入される。
【００４９】
図８に示すように、ガス供給弁１１０では、ガイドノズル３８の外周面３８ｃが、循環通路９０の上流部９２を流れる未反応ガスに晒される。ここで、図８中の矢印は、未反応ガスの流れを模式的に示している。ガイドノズル３８は、焼結金属によって形成されており、その内部に多数の微小な通路が形成されている。従って、図９に示すように、未反応ガス及びそこに含まれる水分は、ガイドノズル３８の外周面３８ｃからガイドノズル３８の内部を浸透していき、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａに到達する。ここで、図９中の矢印は、ガイドノズル３８の内部を浸透する未反応ガス及び水分の流れを模式的に示している。それにより、弁軸４０とガイドノズル３８の摺動部、即ち、弁軸４０の摺動突出部４２の頂部４２ａと、ガイドノズル３８の貫通孔３８ａの壁面が、水分によって潤滑される。また、ガイドノズル３８は多孔質材料であるので、ガイドノズル３８は十分な水分を保持しておくことができる。その結果、弁軸４０とガイドノズル３８の摺動部における摺動性が、未反応ガスの流量にかかわらず安定して確保される。
【００５０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施例のガス供給弁の縦断面図。
【図２】図１中のII−II線断面図。
【図３】図１中のIII―III線断面図。
【図４】燃料電池システムの構成を示す図。
【図５】燃料電池システムの第１の変形例の構成を示す図。
【図６】燃料電池システムの第２の変形例の構成を示す図。
【図７】第２実施例のガス供給弁の縦断面図。
【図８】第２実施例のガス供給弁のガイドノズル近傍を拡大して示す図。
【図９】第２実施例のガス供給弁の弁軸とガイドノズルの摺動部を拡大して示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１０：ガス供給弁
１２：本体
１６：流入管
１８：ステータコア
２０：ガス流路
２２：圧縮ばね
２４：非磁性ブッシュ
３０：弁ハウジング
３４：弁シート
３４ｓ：シート面
３６：ノズルホルダ
３６ｂ：未反応ガス導入孔（第２のガス流路の一部）
３８：ガイドノズル
３８ｂ：未反応ガス導入溝（第２のガス流路の一部）
４０：弁軸
４２：弁軸の摺動突出部
５０：弁体
６０：アーマチャ
８２：燃料電池
８６：気液分離器
９０：循環通路
１００：燃料電池システム
１１０：第２実施例のガス供給弁
【図１】
2010033834.tif 000003
【図２】
2010033834.tif 000004
【図３】
2010033834.tif 000005
【図４】
2010033834.tif 000006
【図５】
2010033834.tif 000007
【図６】
2010033834.tif 000008
【図７】
2010033834.tif 000009
【図８】
2010033834.tif 000010
【図９】
2010033834.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月30日(2008.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４３３５７号公報
【特許文献２】特開２００６−１１８４７０号公報